ПОЛУЧЕНИЕ НАНОЦЕЛЛЮЛОЗЫ ИЗ БИОМАССЫ И ИЗУЧЕНИЕ ИХ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

В данной работе описывается получение наноцеллюлозы путем удаления лигнина из биомассы пероксидным методом в присутствии катализатора H2SO4 и изучение ее физико-химических свойств. Структура целлюлозы и модифицированной наноцеллюлозы изучалась методами Рамановской спектроскопии, ИК (инфракрасной) спектроскопии, РФА (рентгенофазный анализ), СЭМ (сканирующая электронная микроскопия). Полученное повышение кристалличности НТЦ (нановолокнистая целлюлоза) было подтверждено анализом РФА. Это указывает на то, что целлюлоза была связана с удалением аморфных частей. В результате РФА перекрытие на рентгенограммах НТЦ происходило даже в области интенсивных линий. В образце, полученном методом ИК спектроскопии, обнаружено наличие групп (3413,12 см⁻¹; 2918,34 см⁻¹; 1373,30 см⁻¹; 617,52 см⁻¹), соответствующих природе НТЦ. Сильное поглощение при 1429,8 см⁻¹ в спектре КМЦ (карбоксилметилцеллюлозы) выявило группы -COOН, что указывает на успешное карбоксилирование целлюлозы. Изучены морфологическая поверхность, средний размер частиц и структура образцов. В результате сравнительного анализа морфологических структур выявлена характерная для волокон упорядоченная нитевидная структура нановолокнистой целлюлозы и пористая структура КМЦ с измененной поверхностью и неравномерными волокнами.

Разработанный способ получения модифицированной целлюлозы из биомассы не требует многостадийной обработки по сравнению с традиционными методами и безопасен для окружающей среды. Показано, что можно получить качественную целлюлозу в одну стадию без использования реагентов, содержащих серу и хлор, высокого давления и больших затрат воды.

1. Moon R.J., Martini A., Nairn J., Simonsen J., Youngblood J. Cellulose nanomaterials review: structure, properties and nanocomposites // Chem Soc Rev. 2011. Vol. 40. P. 3941–3994. https://doi.org/10.1039/C0CS00108B

2. Kargarzadeh H., Mariano M., Gopakumar D., Ahmad I., Thomas S., Dufresne A., Huang J., Lin N.. Advances in cellulose nanomaterials // Cellulose. – 2018. – Vol. 25. – P. 2151–2189. https://doi.org/10.1007/s10570-018-1723-5

3. Charreau H., Foresti M.L., Va´zquez A. Nanocellulose patents trends: a comprehensive review on patents on cellulose nanocrystals, microfibrillated and bacterial cellulose // Recent Pat Nanotechnol. – 2013. – Vol. 7(1). – P. 56–80. https://doi.org/10.2174/1872210511307010056

4. Zhou S., Liu P., Wang M., Zhao H., Yang J., Xu F. Sustainable, reusable, and superhydrophobic aerogels from micro-fibrillated cellulose for highly effective oil/water separation // ACS Sustainable Chem. Eng. – 2016. – Vol. 4 (12). – P. 6409–6416. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.6b01075

5. Du H., Liu W., Zhang M., Si Ch., Zhang X., Li B. Cellulose nanocrystals and cellulose nanofibrils based hydrogels for biomedical applications // Carbohydrate Polymers. – 2019. – Vol. 209. – P. 130–144. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2019.01.0206.

6. Lepetit A., Drolet R., Tolnai B., Montplaisir D., Lucas R., Zerrouki R. Microfibrillated cellulose with sizing for rein-forcing composites with LDPE // Cellulose. – 2017. – Vol. 24. – No. 10. – P. 4303–4312. https://doi.org/10.1007/s10570-017-1429-0

7. Qing Y., Sabo R., Zhu J.Y., Agarwal U., Cai Z., Wu Y. A comparative study of cellulose nanofibrils disintegrated via multiple processing approaches // Carbohydrate Polymers. 2013. Vol. 97(1). – P. 226–234. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2013.04.086

8. Akatan K, Kabdrakhmanova S, Kuanyshbekov T. Highly-efficient isolation of microcrystalline cellulose and nanocellulose from sunflower seed waste via environmentally benign method // Cellulose. – 2022. – Vol. 29. – No. 7. – P. 3787–3802. https://doi.org/10.1007/s10570-022-04527-4

9. Kuznetsov B.N., Kuznetsova S.A., Levdansky V.A., Levdansky A.V., Vasil’eva N.Yu., Chesnokov N.V., Ivanchenko N.M., Djakovitch L., Pinel C. Optimized methods for obtaining cellulose and cellulose sulfates from birch wood // Wood Science and Technology. – 2015. – Vol. 49. – No. 4. – P. 825–843. https://doi.org/10.1007/500226-015-0723-y

10. Wadenbäck J., Clapham D.H, Gellerstedt G., Arnold S. Variation in content and composition of lignin in young wood of Norway spruce // Holzforschung. – 2004. – Vol. 58(2). – P. 107–115. https://doi.org/10.1515/HF.2004.015

11. Farooq A., Patoary M. K., Zhang M., Mussana H., Li M., Naeem M. A., … Liu L. Cellulose from sources to nanocellulose and an overview of synthesis and properties of nanocellulose/zinc oxide nanocomposite materials // International Journal of Biological Macromolecules. – 2020. Vol. 154. – P. 1050–1073. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2020.03.163

12. Федотова Н.Н., Ёлкин В.А. Химический состав исходного сырья (древесной сосны), целлолигнина и гидролизата, полученного от спиртовой варки // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. – 2018. – № 222 . – С. 254–262 https://doi.org/10.21266/2079-4304.2018.222.254-262

13. Nascimento S.A., Rezende C.A. Combined approaches to obtain cellulose nanocrystals, nanofibrils and fermentable sugars from elephant grass // Carbohydrate Polymers. – 2018. –Vol. 180. – P. 38–45. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2017.09.099

14. Sjöström E., Alen R. Analytical methods of wood chemistry. Pulping and papermaking. Berlin: Springer-Verlag, 1999. 318 p.

15. Park S., Baker J.O., Himmel M.E., Parilla P.A., Jonson D.K. Cellulose crystallinity index: measurement techniques and their impact on integrating cellulose performance // Biotechnology and Biofuels. – 2010. – Vol. 3. – P. 10. https://doi.org/10.1186/1754-6834-3-10

16. Elazzouzi-Hafraou S., Nishiyama Y., Putaux J.-L., Heux L., Dubreuil F., Rochas C. The shape and size distribution of crystalline nanoparticles prepared by acid hydrolysis of native cellulose // Biomacromolecules. – 2008. – Vol. 9 (1). – P. 57–65. https://doi.org/10.1021/bm700769p

17. Xu F., Yu J., Tesso T., Dowell F., Wang D. Qualitative and quantitative analysis of lignocellulosic biomass using infrared techniques: A mini-review // Applied Energy. – 2013. – Vol. 104. – Р. 801–809. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2012.12.019

18. Ghaffar S.H., Fan M. Structural analysis for lignin characteristics in biomass straw // Biomass and Bioenergy. – 2013. – Vol. 57. – P. 264–279. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2013.07.015

19. Carrillo I., Mendonça R.T., Ago M., Rojas O.J. Comparative study of cellulosic components isolated from different Eucalyptus species // Cellulose. – 2018. – Vol. 25. – Р.1011–1029. https://doi.org/10.1007/s10570-018-1653-2.

20. J. Chumee and D. Seeburin, Cellulose extraction from Pomelo peel: synthesis of carboxymethyl cellulose // International Journal of Metallurgical and Materials Engineering. – 2014. – Vol. 8. – No. 5. – P. 435–437.

21. M. F. N. Sunardi and B. J. Ahmad. Preparation of carboxymethyl cellulose produced from purun tikus (Eleocharis dulcis) // AIP Conference Proceedings. – 2017. – Vol. 1868. – Article ID 020008.

22. Wesełucha-Birczy´nska, A.; Kołodziej, A.; Swi˛etek, M.; Moskal, P.; Skalniak, Ł.; Długo´n, E.; Bła´zewicz, M. Does 2D correlation ˙Raman spectroscopy distinguish polymer nanomaterials due to the nanoaddition? // J. Mol. Struct. – 2020. – Vol. 1217. P. 128342.

23. Ago M., Endo T., Hirotsu T. Crystalline transformation of native cellulose from cellulose I to cellulose II polymorph by a ball-milling method with a specific amount of water // Cellulose. – 2004. – Vol. 11. – Р. 163–167. https://doi.org/10.1023/B:CELL.0000025423.32330.fa

24. Li X., Li J., Gong J., Kuang Y., Mo L., Song T. Cellulose nanocrystals (CNCs) with different crystalline allomorph for oil in water Pickering emulsions // Carbohydrate Polymers. – 2018. – Vol. 183. – P. 303–310. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2017.12.085

25. Osong S.H., Norgren S., Engstrand P. Processing of woodbased microfibrillated cellulose and nanofibrillated cellulose, and applications relating to papermaking: a review // Cellulose. – 2016. – Vol. 23. – Р. 93–123. https://doi.org/10.1007/s10570-015-0798-5

26. Santos, D. M., Bukzem, A. L., Ascheri, D. P. R., Signini, R. Gilberto Lucio Benedito Aquino, D. L. B. Microwave assisted carboxymethylation of cellulose extracted from brewer's spentт grain // Carbohydrate Polymers, – 2015. – Vol. 131. P. 125–133.